1.3　数字图像相关法

传统的光测力学的数据采集是利用胶片或干版记录带有被测物体表面位移或变形信息的光强分布，通过显影定影得到照片。但是，显影定影操作费时费力，实验条件难于精确控制，实验结果难以精确重复，不利于后续的计算机图像处理。进入20世纪70年代，光电子技术与数字图像技术飞速发展，特别是近年来随着CCD相机、计算机软硬件及数字图像处理技术的飞速发展，人们希望寻求不需要显影定影操作而直接获得图像并处理得到感兴趣物理量分布的方法，一系列“数字”光测力学技术应运而生。其中，图像相关（Digital Image Correlation，DIC）或数字散斑相关测量（DigitalSpeckle Correlation Measurement，DSCM）技术是当前最活跃、最有生命力的光测技术之一。

数字图像相关法由美国University of South Carolina的W.H.Peters和W.F.Ranson等人在20世纪80年代提出。该方法直接利用被测物体表面变形前后两幅数字图像的灰度变化来测量该被测试件表面的位移和变形场。数字图像相关法本质上属于一种基于现代数字图像处理和分析技术的新型光测技术，它通过分析变形前后物体表面的数字图像获得被测物体表面的变形（位移和应变）信息。其他基于相关光波干涉原理的光测方法（如全息干涉法、云纹干涉法等），一般都要求使用激光作为光源，光路较复杂，测量需要在暗室环境进行，并且测量结果易受外界振动的影响，这些限制条件使得这些光测方法通常只能应用于实验室内的隔振平台上进行科学研究测量，而难以在无隔振实验条件以及实际工程现场进行测量。

与基于相关光波干涉原理的光测方法相比，数字图像相关法显然具有一些特殊的优势，这些优势包括以下4个方面：

①实验设备、实验过程简单。被测物面的散斑模式可以通过人工制斑技术获得或者直接以试件表面的自然纹理作为标记，仅需用单个或两个固定的CCD相机拍摄被测物体变形前后的数字图像。

②对测量环境和隔振要求较低。用白光或自然光作为照明光源，不需激光光源和隔振台，避免了对测量环境的较高要求，容易实现现场测量。

③易于实现测量过程的自动化。不需要胶片记录，避免了烦琐的显影定影操作；不需要进行干涉条纹定级和相位处理，能充分发挥计算机在数字图像处理中的优势和潜力。

④适用测量范围广。可与不同空间分辨率的图像采集设备（如扫描电子显微镜、原子力显微镜等）结合，进行宏观、微观尺度的变形测量。

经过40多年的发展，该方法日渐成熟和完善，作为一种非接触、光路简单、精度高、自动化程度高的光学测量方法，受到了广泛的重视，并在科学研究和实际工程应用的多个领域中获得应用。

需要说明的是，二维数字图像相关方法利用一个固定的相机拍摄变形前后被测平面物体表面的数字图像，再通过匹配变形前后数字图像中的对应图像子区获得被测物体表面各点的位移。使用单个相机的二维数字图像相关方法，局限于测量平面物体表面的面内位移，并且要得到可靠的测量结果，还有一些额外限制条件，如要求：①被测物面应是一个平面或近似为一平面；②被测物体变形主要发生在面内，离面的位移分量非常小；③相机靶面与被测平面物体表面平行（即相机光轴与被测物面垂直或近似垂直），并且成像系统畸变可以忽略不计。显然，如果被测物体表面为曲面或者物体的变形是三维的，上述二维数字图像相关方法就不再适用。

但如果被测物体表面不能近似成为一平面或者为起伏较大的曲面，或者物体表面出现了显著的离面位移，此时二维数字图像相关方法则不再适用，而基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法则适合这些情况下的变形测量。三维数字图像相关方法可对平面或曲面物体的表面形貌及三维变形进行测量，适用测量范围广泛，在工程上的应用前景尤为广阔。缺点是需要精确标定双目立体视觉摄像系统，实验和数据处理过程较二维数字图像相关方法复杂。 p4lzbU+a6f0RZHhGAcK7AZgGW2i5Dd+imLf0uJGqi4mufDyKDvFvJdU9RimOKRg8